大学工程教育

2　土木工程师与大学工程教育

本章导读：

●基本要求 了解科学、技术与工程及其相互关系；了解土木工程的专业含义及其大学工程教育；了解土木工程师需要建立的知识体系以及具备的能力、工作内容及其注册制度；了解土木工程专业的学习内容及其课程之间的相互关系、学习目的与方法。

●重点　土木工程师应具备的知识体系与能力、土木工程专业学习内容及其课程之间的相互关系、学习目的与方法。

●难点　土木工程专业知识体系、学习内容及其课程之间的相互关系。

2.1　科学、技术与工程

科学（Science）是关于事物的基本原理和事实的有组织、有系统的知识。科学的主要任务是研究世界万物发展变化的客观规律，它解决“为什么”的问题。科学不等于“真理”，是存在于一定时空中有一定约束条件的可知认识，即暂时还没有被推翻的知识。

技术（Technology）是指将科学研究所发现或传统经验所证明的规律转化成为各种生产工艺、作业方法、设备装置等，它解决“如何实现”的问题。技术的主要任务是生产某种满足人类需要的产品，具有条件性、抽象性和目的性。

工程（Engineering）是指自然科学或各种专门技术应用到生产部门去而形成的各种学科的总称。“工程”一词源于欧洲（18世纪），最初含义是兵器制造等以军事需要为目的的各项劳作，随后扩展到许多领域，如建造房屋、制造机器、架桥修路等。工程有广义和狭义之分。就狭义而言，工程定义为“以某组设想的目标为依据，应用有关的科学知识和技术手段，通过一群人的有组织活动将某个（或某些）现有实体（自然的或人造的）转化为具有预期使用价值的人造产品过程”，如土木工程、水利工程、化学工程、遗传工程、系统工程、生物工程、海洋工程、环境微生物工程。就广义而言，工程则定义为由一群人为达到某种目的，在一个较长时间周期内进行协作活动的过程，如高等教育中的质量工程、解决民生问题的菜篮子工程等。工程不仅与科学和技术有关，而且受到经济、政治、法律、美学等多方面的影响。例如，基因工程中的克隆技术，发达国家已经掌握了该项技术，并克隆出了羊、牛、鼠等，但克隆人在任何国家均是明文禁止的，可见工程是科学技术的应用与社会、经济、法律、人文等因素结合的一个实践过程。

科学与技术关系密切，但又是两个不同的概念。例如，科学上已发现放射性元素（如铀235）的核裂变可以释放出巨大的能量，从而为制造原子弹找到了科学依据。然而，从原理到制造出原子弹还需解决一系列技术问题，包括从铀矿中提取铀235、反应速度控制、快速引爆机构等，这也是原子弹制造经历了很长时间的原因。以我国高校学科专业中的理工科为例，理科专业（如数学、物理、化学等）侧重学习科学，兼学技术；而工科专业（如土木、机械、通讯等）则在掌握其科学原理基础上重点学习技术。

工程是科学与技术的具体应用，其目的是使自然界的物质和能源的特性能够通过各种结构、机器、产品、系统地为人类生存与发展服务。

土木工程属于工程的一个大类，其本科专业属于工学门类的土建类专业，与建筑学、城市规划、建筑环境与设备工程、给水排水工程并列。在本科引导性专业目录中，土木工程涵盖土木工程、给水排水工程、水利水电工程。在国务院学位委员会颁布的研究生教育目录中，土木工程一级学科下设有岩土工程、结构工程、市政工程、供热、供燃气、通风及空调工程、防灾减灾工程及防护工程、桥梁与隧道工程等6个二级学科。

2.2　大学工程教育

工程活动是人类存在和发展的基础。古代的工程建造，如埃及的金字塔（前2500年）和中国的都江堰水利工程（前300年），主要是基于个人经验和智慧，而现代工程则更多地依赖科学和技术，需要大量的科技人才，包括工程规划、勘察、设计、施工、管养等工程师，工程科学研究、技术开发与教学等专家、教授以及工程管理人员。为实现建设与发展对人才的要求，工程教育必不可少。

1747年，巴黎建立的路桥学校（Ecole Nationale des Ponts et Chaussee，ENPG）是近代高等工程学校的先声。此后，欧洲各国纷纷仿效，特别是在18世纪英国工业革命后，蒸汽机（1782年）、机车（1812年）和铁路（1822年）的相继问世以及19世纪70年代电机的发明，奠定了现代大学工学院土木、机械和电机三个基本学科的格局。

为了对“工程”有一个正确的理解，2004年美国工程院工程教育委员会把“工程哲学”列为当年6个研究项目之一，还专门成立了工程哲学指导委员会。2004年6月，在中国工程院徐匡迪院长的提议下也召开了一次工程哲学座谈会，2004年12月又举办了工程哲学论坛，正式成立了工程哲学专业委员会。

工程哲学的首要问题是弄清工程、科学和技术三者的相互关系。李伯聪先生提出科学—技术—工程三元论，他认为科学发现、技术发明和工程设计是三种不同的社会实践，科学活动的本质是反映存在，技术活动的本质是探寻变革存在的具体方法，而工程活动的本质则是创造一个世界上原本不存在的物体，是超越存在和创造存在的活动。正如20世纪著名流体力学家Theodore von Karman对于科学家和工程师的区别所做的界定：“科学家致力于发现已有的世界，而工程师则致力于创造从未有过的世界（Scientists discover the world that engineers create the world that neverwas）。”

工程究竟是艺术（技术）还是科学？有人认为“工程是艺术和科学的桥梁”，“存在于科学、艺术和社会的交点上”。也有人认为“工程是一种将科学转化为技术的过程”或“工程+科学=技术”。在中国的词典中，科学技术常连在一起作为统一的领域，为了区别于纯科学（数、理、化、天、地、生），有应用科学、工程科学和技术科学的分类，为了区别于其他非工程的应用技术（如农学、医学、军事学等），又有工程技术的分类。

工程具有社会性、创造性和综合性的特征。工程师所创造和建造的作品是为了造福人类、改进人们的生活，因而还具有道德制约性和全球性的意义。人类所面临的技术和社会挑战决定着未来工程的发展趋势，现代工程教育必须面对这种挑战，从最初的缺少理论的实践技术教育到强调科学基础的理论教育，最终向着工程本质所要求的方向前进。

总之，科学活动以发现为核心，技术活动以发明为核心，而现代工程则是科学与技术有机结合的社会活动。对于土木工程行业来说，现代土木工程的基本任务是建设和完成一个具体的工程项目，其中，包含着基于新发现的科学理论的设计理念和方法，也要运用受到“专利”保护的技术发明，如使用的新型施工装备中就包含着新的发明专利，在所应用的新型软件中也包含着新的科学理论和分析方法。可见，工程虽然不同于科学和技术，但三者是不可分的。科学家和工程师的培养目标不同，思维方式和工作模式也不同。以培养工程师为目的的大学工程教育（工科教育）也应当和以培养科学家为目的的理科教育有不同的特征和方法。作为现代工程教育，必须明确科学必须明辨是非，即回答正确还是错误；而工程的解答却不是唯一的，而是优与劣、先进与落后的问题。只有抓住了工程的特点方能开展有针对性的工程教育。

2.3　土木工程师及其工作内容

土木工程师是指从事涉及地上、地下或水中的直接或间接为人类生活、生产、军事、科研服务的房屋、道路、铁路（轨道）、桥梁、隧道、机场、堤坝、港口、电站、海洋平台、运输管道、给水和排水、防护工程等各种工程设施的规划、勘察、设计、建造（施工）、管养的技术人员。

技术和科学的紧密结合，使得历史上曾经存在的工匠式的“专家”，转变为现代意义上的土木工程师；工程师的出现是近、现代的土木工程区别于古代土木工程的又一个显著标志。土木工程的这一发展并不否认工程活动必须依靠经验积累的事实，直到今天，在工程师的教育过程中仍然高度重视经验的积累。不过，科学素养的培养，技术理论的学习，实验（践）能力的训练，是土木工程师不同于工匠的一个根本性的要求。

公元前（221年左右）的工匠主要依靠经验工作，公元652年以后主要借助数学与经验，公元1721年以后的土木工程工程师工作中逐渐利用了力学概念，公元1890年以后的土木工程师则借助力学、数学与经验开展工作，1990年代开始，土木工程师的工作除需要广泛的科学知识、丰富的实践经验外，还需要全面的社会知识。

土木工程师的工作内容涉及方方面面，以建造南京长江大桥（图2.1）和北京鸟巢（图2.2）为例，其工作内容就包括工程规划、工程勘察、工程设计、工程施工、工程使用管养等。

图2.1　南京长江大桥

图2.2　北京鸟巢

2.4　土木工程师应具备的条件与注册制度

（1）土木工程师应具备的条件

土木工程作为一个独立学科，具有综合性、社会性、实践性、统一性，所以，为适应土木工程行业需要，土木工程师需要具备相应的条件：

①拥有土木工程或相关专业本科及其以上学历。

②具有良好的政治素养与较高的综合素质。

③土木工程所需基本理论基础扎实，熟悉土木工程行业专业知识（规划、勘察设计、施工、管养）、技术规范及工程造价的预决算方法，并能独立完成实践操作；能熟练运用CAD等制图软件。

④根据现行规定，土木工程师应从事房屋、桥梁、地下结构等土木工程建设5年以上，具有中级以上技术职称，并逐渐实行持证（注册结构工程师、注册土木工程师、注册岩土工程师等）上岗。

⑤具备良好的组织管理能力、临场应变能力、分析规划能力、统筹协调能力、沟通表达能力等。

⑥具有积极向上的精神状态，踏实敬业的工作态度，良好的身体和心理素质以及团队意识等。

（2）土木工程师注册制度

注册工程师制度是一种执业资格制度，是国家对某些关系人们生命财产安全的执业人员实行的一种准入控制，其目的是统一工程专业技术人员的水平，加强国际间在工程领域内的交流和互认。注册工程师制度在英、美等发达国家已经实施了多年。国家住房和城乡建设部在1997年与英国结构工程师学会达成协议，确立了结构工程师资格相互认可的关系，开始了我国工程建设领域与国际接轨的第一次尝试，注册结构工程师制度由此开始实施。

2001年10月24日至26日，在重庆召开的中、日、韩国家工程院圆桌会议暨工程师资格认证与工程教育国际研讨会上提出，我国在涉及国家和人们生命财产安全及公共利益的专业技术领域实行注册工程师制度，以适应加入WTO后与国际接轨的市场需求。事实上，我国在加入WTO后，土木工程市场正逐渐开放，需要实行行业执业资格注册制度，否则难以对进入我国的国外工程技术人员提出执业资格互认准入制度，同时，我国工程技术人员也难以进入已建立个人执业制度的国家执业。

2002年，国家决定实行注册土木工程师执业资格制度。目前，与土木工程相关的注册师包括：注册结构工程师（房屋结构工程、桥梁工程、塔架工程）、注册土木工程师（道路工程、铁路工程、民航工程、岩土、港口与航道工程、水利水电工程）、注册监理工程师、注册造价师、注册建造师、注册咨询工程师、注册安全工程师、注册测绘师、注册检测师等。

注册工程师实行考试认定，各类注册工程师有相应的报考条件。为了与国际接轨并配合注册工程师制度的实施，住房和城乡建设部参照国际上通行的专业鉴定（professional programmatic accreditation）制度，于1995年开始对高校土木工程专业进行教育质量评估。通过评估的学校，其土木工程专业本科毕业生将享受提前报考注册师的优惠待遇，目前全国近60所学校的土木工程专业接受了评估。

2.5　土木工程专业知识体系

2.5.1　土木工程涉及的学科与人才培养目标

土木工程泛指各种工业与民用工程设施，其专业知识包括工程勘察、设计、施工、管养等科学技术知识。土木工程的主干学科是结构工程，岩土工程，桥梁与隧道工程；相关学科有市政工程，供热、供燃气、通风及空调工程，防灾减灾及防护工程，水工结构工程，港口海岸及近海工程等。土木工程的重要基础支撑学科有：数学、物理学、力学、材料科学、计算机科学与技术等。

土木工程专业培养适应社会主义现代化建设需要，掌握土木工程学科的基本原理和基本知识，获得工程师基本训练，能胜任建筑、桥梁、隧道等各类土木工程结构与设施的设计、施工与管养，具有扎实基础理论、较宽厚专业知识和较强实践能力与一定创新能力的高级专门人才。毕业生能够在有关土木工程的设计、施工、管养、研究、教育、投资和开发、金融与保险等部门从事技术或管理工作。

2.5.2　土木工程专业培养规格

1）良好的政治思想与综合素质

具有高尚的道德品质、科学思想和人文素养，能体现哲理、情趣、品味、人格方面的较高修养，具有求真务实的科学态度以及实干创新的精神，具有科学的世界观和正确的人生观，愿为国家富强、民族振兴服务。

2）厚实的理论基础与合理的知识结构

具有基本的人文社会科学知识，熟悉哲学、政治学、经济学、社会学、法学等方面的基本理论知识，了解文学、艺术等方面的基础知识；掌握工程经济、项目管理的基本理论，并对其中的若干方面有较深入的修习；熟练掌握一门外国语；具有较扎实的数学和自然科学基础，了解现代物理、信息科学、环境科学、心理学的基本知识，了解当代科学技术发展的其他主要方面和应用前景；掌握力学的基本原理和分析方法，掌握工程材料的基本性能、工程测量的基本原理和方法、画法几何与工程制图的基本原理，掌握工程结构构件的力学性能和计算原理，掌握土木工程施工和组织的一般过程和管理以及技术经济分析的基本方法；掌握结构选型、构造的基本知识，掌握工程结构的设计方法、CAD和其他软件应用技术；掌握土木工程现代施工技术、工程检测和试验基本方法，了解本专业的有关法规、规范与规程；了解给排水、供热通风与空调、建筑电气等建筑设备、土木工程机械及环境等的一般知识；了解本专业的发展动态和相邻学科的一般知识。

3）较强的实践能力与创新意识

具有综合应用各种手段（包括外语）查询资料、获取信息、拓展知识领域、继续学习的能力；具有应用语言、图表和计算机技术等进行工程表达和交流的基本能力；掌握至少一门计算机高级编程语言，具有应用计算机、常规测试仪器的基本能力；具有综合应用知识的能力，能够进行工程设计、施工和管养等；经过一定环节的训练后，具有初步的科学研究或技术研究、应用开发等创新能力。

4）健康的体魄与良好的心理素质

具有健全的心理和健康的体魄，具备从事实践性很强的土木工程这一艰苦行业的各项工作的能力。

5）具备自主学习和分析、解决实际问题的能力

大学所学的知识总是有限的，而土木工程内容十分广泛，新的技术又不断出现，因而自主学习、扩大知识面、自我成长的能力非常重要。不仅要向老师学、向书本学，而且要注意在实践中学习，善于查阅文献，善于在网上学习。

土木工程中出现的问题并非均在课本上、文献中找到答案，对一些新出现的问题，需要在已有理论和专业知识的基础上，自我分析和解决，也就是说土木工程师必须具备分析、解决实际问题的能力。另外，具备发现问题的能力也非常重要。

2.5.3　土木工程专业知识体系

土木工程专业知识体系，总体上由公共基础知识（工具性知识、人文社会科学知识、自然科学知识）、专业基础知识与专业知识三部分构成。

1）公共基础知识

公共基础知识是工科大学生必备的通识性知识，包括数学、物理、外语、计算机等，是培养土木工程专业人才综合素质必须学习的知识。

2）专业基础知识

专业基础知识是针对土木工程专业所有专业方向（如建筑工程、道路桥梁工程、地下工程）共同需要的基础性知识，包括力学、结构、地质、测量、制图、施工等，是培养土木工程专业人才基本技能、动手与创新能力等必须掌握的知识，同时也是为适应土木工程各个专业方向需要奠定的基础。

3）专业知识

专业知识是针对土木工程专业相应专业方向的专业性知识，如建筑工程、道路工程、铁道工程、桥梁工程、地下工程等，是突出专业方向特色必要的专业知识。

土木工程专业知识体系分知识领域、知识单元和知识点三个层次。每个知识领域包含若干个知识单元。知识单元分为核心知识单元和选修知识单元两种。核心知识单元的集合是专业必修的基本内容，其中的若干知识点是专业要求的基本元素和基本载体。核心知识单元以外的部分为选修知识，体现土木工程专业各方向的要求和专业所在学校的特色。

公共基础知识领域及相关课程见表2.1。

表2.1　公共基础知识领域及相关课程

专业基础知识领域及相关课程见表2.2，其中的核心知识单元、知识点详见《高等学校土木工程本科指导性专业规范》中的附件一。

表2.2　土木工程专业基础知识领域及相关课程

专业知识领域及相关课程见表2.3（以建筑工程、道路与桥梁工程、地下工程、铁道工程方向为例），其中的核心知识单元、知识点详见《高等学校土木工程本科指导性专业规范》中的附件三。

表2.3　土木工程专业部分专业方向知识领域及相关课程

土木工程专业实践体系中的领域和实践单元见表2.4，其中的核心实践单元和知识技能点详见《高等学校土木工程本科指导性专业规范》中的附件二。

表2.4　实践体系中的领域和核心实践单元

2.6　土木工程专业教学改革

目前，社会对人才的需求与工科人才培养模式间存在矛盾，主要体现在：重理论而轻实践（重论文、轻设计、缺实践），导致学生缺乏实践经验，动手与创新能力差，与走中国特色新型工业化道路、建设创新型国家、建设人才强国的国家战略需要不相适应。土木工程专业是实践性强的专业之一，在其人才培养方面也存在同样问题。

其实，早在20世纪30年代，土木工程学家、我国近代桥梁工程奠基人、工程教育家茅以升先生就始创了启发式教育法，坚持理论联系实际，提出了立志励学、工科大学理论联系实际，“先习而后学，边习边学”“科研、教学和生产相结合”以及专精广博。茅以升先生的工程教育思想对当前的教育改革具有重要的指导意义。

为贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020年）》，教育部于2010年启动了“卓越工程师教育培养计划”，该计划特点在于行业企业深度参与培养过程，学校按通用标准和行业标准培养工程人才，培养学生的工程能力和创新能力。其目的是培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。

土木工程专业教学改革势在必行。学校及教师需从培养方案、课程设置、教学内容、方法及手段着手，对不利于实践、工程及创新能力培养的教学进行改革。理顺课程之间的内在逻辑关系（比如，掌握好数学、物理等，是学好力学的前提，而掌握好力学知识则是学习、掌握结构知识，进而学好专业的关键），实现学习循序渐进，知识逐步积累；切实将理论与实际相联系，充分发挥产学研结合在土木工程人才培养中的作用，将重点放在学习兴趣、实践能力、创新能力和人格素养培养上。强化先习而后学，即让学生先知其然，然后知其所以然；从感性入手，培养兴趣，激发其主动性和学习愿望；在进实验室的同时，要深入到工地、工厂开展实践，培养其创造力；结合工程背景，更完整地掌握理论知识，培养领导能力；加强科学、艺术、哲学等修养，形成有系统、全面的专业知识。在满足《土木工程专业规范》的最低要求下，学校应突出各自的专业特色。

学生则需要自觉将理论与实践相结合，强化课堂、实验、实践与课外活动的协调，通过课堂（理论）学习，奠定学科理论与专业知识基础；通过实验学习，巩固和加深对理论的认识，培养创新能力；通过实践环节（包括认识实习、课程实习、课程设计、毕业（生产）实习、毕业设计（论文）等）的学习、训练，培养专业素质与动手能力；通过参与课外科技活动、相关社团等，培养自身的综合素质与能力。争取成为创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量土木工程技术人才。

思考讨论题

1.科学、技术与工程的定义及其关系？

2.土木工程师的工作内容及其特点？

3.土木工程师应具备哪些知识与能力？

4.为何要实行注册工程师制度？

5.怎样才能学好土木工程专业？